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2013/05/27
作者：汪扬春 黄平
一、引言
去年五月，国务院常务会议通过《关于大力推进信息化发展和切实保障信息安全的若干意见》，明确提出实施“宽带中国”工程：加快发展宽带网络，推进城镇光纤到户；加快部署下一代互联网；加快推进三网融合，培育壮大相关产业和市场。
工业和信息化部于2013年2月启动了“宽带普及提速”工程，以期在“十二五”期间解决多年来被消费者所诟病的“宽带不宽、网速不快、费用昂贵”等问题。而“光纤到户”是解决宽带“最后一公里”的最佳方案。
住房与城乡建设部、工业和信息化部近日联合发出通知，要求贯彻落实自2013年4月1日起实施的《住宅区和住宅建筑内光纤到户通信设施工程设计规范》及《住宅区和住宅建筑内光纤到户通信设施工程施工及验收规范》两项国家标准。标准规定，在公用电信网已实现光纤传输的县级及以上城区，新建住宅区和住宅建筑的通信设施应采用光纤到户方式建设，同时鼓励和支持有条件的乡镇、农村地区新建住宅区与住宅建筑实现光纤到户。
近年来，随着光纤到户（FTTH）以及无源光网络（PON）在全球范围内大面积的铺开，也促进了相关光通信器件的研究。为满足大容量数据传输的需求，基于光密集波分复用（DWDM）技术和掺铒光纤放大器（EDFA）的光纤传输系统已经成为下一代大容量的全光网络建设的首选。其中，基于平面光波导（PLC）技术的阵列波导光栅（AWG）具有高集成度，适合于实现大通道数、窄通道间隔的器件，以及适于大规模生产、平均成本低等优点，将对基于DWDM技术的光纤通信网的建设起到巨大的推动作用。
AWG器件的概念是Smit在1988年提出的，Vellekoop和Smit报道了第一个工作于短波段的器件，Takahashi等报道了第一个工作于长波段窗口的器件，Dragone则将AWG器件的概念从1×N推广到了N×N。制作AWG器件的材料主要有硅基材料、各种聚合物和磷化铟（InP）基材料等。InP器件的尺寸小，能和探测器、调制器等有源器件集成在同一芯片上，在有源器件上具有发展潜力；聚合物材料价格便宜、器件制作成本低，但在通信用的波长上传输损耗大、热稳定性差；目前商用化的AWG器件大都是硅基二氧化硅波导的，其技术工艺发展最为成熟。本文主要介绍AWG器件的结构和原理与设计，及其在光通信领域中的应用，讨论了现阶段改善器件性能的几个方面。
二、AWG的结构和原理
AWG器件的结构如图1所示。由输入/输出波导、两个自由传输区（FPR，即平板波导）和阵列波导等部分组成，这几个部分都集成在同一基底上。输入/输出波导连接自由传输区的一端等间距均匀地排列在一个罗兰圆的圆周上，罗兰圆的半径等于R/2；每条阵列波导的两端正对中心输入/输出波导，等间距均匀地排列在以中心输入/输出波导为圆心的圆周上，半径为R。选择阵列波导的长度，使得相邻波导的光程差等于器件中心波长的整数倍。
AWG的工作原理基于光栅方程：光在器件中传输时，只有那些光程差等于波长的整数倍的光才能产生衍射而得到加强，即：
式中ns和nc分别为平板波导和阵列波导的有效折射率，θi和θ0分别为输入和输出平板波导内的衍射角（即输入/输出波导与中心输入/输出波导的夹角），d为阵列波导间距，ΔL为相邻阵列波导的长度差（为定值），m为衍射级次，λ为光波波长。
当光从中心输入波导输入并从中心输出波导输出时，θi=θ0=0，此时对应的波长定义为中心波长：
AWG器件中输入/输出波导的角色散为：
式中ng为阵列波导的群折射率。
AWG的自由频谱范围FSR为：
自由频谱范围决定了最大可能的输入/输出通道数Nmax=int（FSR/Δλ）。
根据以上对AWG器件性能的理论分析，AWG器件的设计流程可归纳如下：根据使用要求，确定输入/输出波导通道数N，通道间隔Δλ，选取中心波长λ0；确定衍射级次m和平板波导焦长度R；确定阵列波导间距d，由式（3）确定输入/输出波导间距，由式（2）确定相邻阵列波导的长度差ΔL，最后确定阵列波导数。
三、AWG在光通信领域中的应用
AWG器件的基本功能是波分复用/解复用，除此之外，还可与其他器件如放大器、开关阵列等集成构成WDM系统中的大部分器件，应用于多波长光通信网络中。
1、波长路由器
波长路由器就是由Dragone于1991年首先报道的N×N型复用/解复用器，如图2所示。每个输入波导中N个不同波长的光信号，经过AWG器件解复用后分布到N个不同的输出波导中；而每个输出波导中接收到的N个不同波长的光信号则是N个不同的输入波导中的光波信号经过AWG器件复用后得到的，这就实现了波长理由功能。
图2 波长路由器原理示意图
波长路由器在PON中有着广泛的应用，是光纤通信系统中的基本元器件，可在光层实现信号的波长路由，简化了网络硬件设施；在分插复用器、波长选择器等的配置中也起着重要的作用。
2、光分插复用器
光分插复用器（OADM）（如图3所示）是WDM系统中的关键器件，位于光纤通信网络中的节点处，其作用是下载（Drop）通道中通往本地的信号，同时上载（Add）本地用户发往另一节点用户的信号，使得用户可以方便地在节点处上载/下载信号，实现不同网络间的互连，大大提高了网络系统的灵活性。
3、多波长激光器
WDM系统使用波长可选择或可调谐激光器作为光源，使用AWG结合光放大器构成的多波长激光器（如图4所示）由AWG通道间隔的高精确性，产生的激光波长稳定性非常好。多波长激光器采用光放大器作为增益媒质、AWG为波长滤波器、两侧镀反射膜以构成激光器的谐振腔。
四、现阶段AWG的研究热点
经过二十多年的发展，目前AWG器件的制作技术和性能指标都有了很大的提高。尽管AWG器件已经开始商用了，但国内外对AWG的设计研究和工艺改进及其相应的性能改善仍很活跃，主要包括以下几个方面：
1、温度不敏感
目前商用的硅基二氧化硅AWG，由于波导材料本身的折射率和波导长度会随着温度的变化而发生改变，从而导致器件的中心波长也随着温度变化。此类有热AWG器件在使用时需加温控来稳定通道输出，而温度控制器需要供电并有一定量的功耗。在复用器和其它器件的光集成系统中，减少尺寸和热量管理成为了关键问题；另外随着WDM无源光网络（WDM-PONs）的发展，其中并没有可供给复用器的电能；因此需要发展温度不敏感技术，无热AWG器件也得到了广泛的研究。
最常用的方法是在AWG器件的波导中刻蚀一沟槽，并在其中填充具大负热光系数的材料，选择合适的槽形状和尺寸，以补偿二氧化硅玻璃的温度效应。另一补偿方法是在AWG器件衬底背面粘贴较大热膨胀系数的金属材料，利用产生的应力应变改变有效折射率和光程差，以补偿中心波长的温度变化。
2、偏振补偿技术
偏振敏感也是AWG器件中一个很重要的问题。由于波导中横电（TE）、横磁（TM）模的传输常数不同，引起同一波长的TE模和TM模的光在成像面上的像点发生偏移，从而使通道的频谱响应发生漂移，此即所谓偏振敏感性。现今WDM系统网络中大多数传输线是普通单模光纤，无保偏特性，使得在实际光网络中要求复用器件必须对各种偏振光信号保持稳定，即要消除器件对偏振的敏感性。
目前消除偏振相关性的主要方法有：（1）半波片法，在AWG器件阵列波导中间开槽插入一半波片，实现TE模和TM模偏振态的反转，利用器件的对称结构，使得经过半波片之前和之后传输产生的偏振相互消除；（2）镀膜法，在阵列波导的直波导区域加入三角形偏振补偿区，在波导上增加一层α-Si薄膜，利用薄膜存在的残余应力可补偿波导双折射；（3）无双折射波导法，选择适当的波导结构和材料，实现低双折射率以消除偏振敏感。
3、频谱平坦化设计
在DWDM系统中，器件的通道带宽是一个非常重要的性能指标。普通的AWG器件的频谱响应为高斯型的，通道波长的漂移会引起输出功率的急剧下降而容易导致误码，通过平坦化频谱响应使得器件能具有以下优点：允许高速调制；允许发射波长有一些偏移；对受温度变化影响引起的波长偏移不敏感；允许有少许的因偏振引起的波长偏移；允许系统级联多个复用器件而不引起性能的显著下降。
目前常用的一种频谱平坦化方法是在AWG的输入/输出波导处连接抛物型波导等特殊结构，这种方法的原理是在像面上形成具有双峰特征的场分布，此双峰场和输出波导的本征模场进行叠加，从而实现频谱平坦化。另一种方法是利用马赫曾德干涉仪（MZI）和AWG级联，在这种设计中，前一级滤波器的FSR和后一级的通道间隔相等，从而使得带通内的波长在通过前一级滤波器后产生不同的预偏移，成像在后一级滤波器输出波导的中心，因而通带内波长的成像位置几乎相同，即实现了平坦的频谱响应。
五、结束语
随着网络信息流量的迅速增长，用户对带宽的需求也越来越高，这些都促进了FTTH市场的发展。AWG器件具有的高性能及可与其他器件集成以构成多功能模块的优点，在未来的光纤通信网络中将会有着更多、更广泛的应用。
去年五月，国务院常务会议通过《关于大力推进信息化发展和切实保障信息安全的若干意见》，明确提出实施“宽带中国”工程：加快发展宽带网络，推进城镇光纤到户；加快部署下一代互联网；加快推进三网融合，培育壮大相关产业和市场。
工业和信息化部于2013年2月启动了“宽带普及提速”工程，以期在“十二五”期间解决多年来被消费者所诟病的“宽带不宽、网速不快、费用昂贵”等问题。而“光纤到户”是解决宽带“最后一公里”的最佳方案。
住房与城乡建设部、工业和信息化部近日联合发出通知，要求贯彻落实自2013年4月1日起实施的《住宅区和住宅建筑内光纤到户通信设施工程设计规范》及《住宅区和住宅建筑内光纤到户通信设施工程施工及验收规范》两项国家标准。标准规定，在公用电信网已实现光纤传输的县级及以上城区，新建住宅区和住宅建筑的通信设施应采用光纤到户方式建设，同时鼓励和支持有条件的乡镇、农村地区新建住宅区与住宅建筑实现光纤到户。
近年来，随着光纤到户（FTTH）以及无源光网络（PON）在全球范围内大面积的铺开，也促进了相关光通信器件的研究。为满足大容量数据传输的需求，基于光密集波分复用（DWDM）技术和掺铒光纤放大器（EDFA）的光纤传输系统已经成为下一代大容量的全光网络建设的首选。其中，基于平面光波导（PLC）技术的阵列波导光栅（AWG）具有高集成度，适合于实现大通道数、窄通道间隔的器件，以及适于大规模生产、平均成本低等优点，将对基于DWDM技术的光纤通信网的建设起到巨大的推动作用。
AWG器件的概念是Smit在1988年提出的，Vellekoop和Smit报道了第一个工作于短波段的器件，Takahashi等报道了第一个工作于长波段窗口的器件，Dragone则将AWG器件的概念从1×N推广到了N×N。制作AWG器件的材料主要有硅基材料、各种聚合物和磷化铟（InP）基材料等。InP器件的尺寸小，能和探测器、调制器等有源器件集成在同一芯片上，在有源器件上具有发展潜力；聚合物材料价格便宜、器件制作成本低，但在通信用的波长上传输损耗大、热稳定性差；目前商用化的AWG器件大都是硅基二氧化硅波导的，其技术工艺发展最为成熟。本文主要介绍AWG器件的结构和原理与设计，及其在光通信领域中的应用，讨论了现阶段改善器件性能的几个方面。
二、AWG的结构和原理
AWG器件的结构如图1所示。由输入/输出波导、两个自由传输区（FPR，即平板波导）和阵列波导等部分组成，这几个部分都集成在同一基底上。输入/输出波导连接自由传输区的一端等间距均匀地排列在一个罗兰圆的圆周上，罗兰圆的半径等于R/2；每条阵列波导的两端正对中心输入/输出波导，等间距均匀地排列在以中心输入/输出波导为圆心的圆周上，半径为R。选择阵列波导的长度，使得相邻波导的光程差等于器件中心波长的整数倍。
图1 AWG器件结构示意图
AWG的工作原理如下：光波信号通过输入波导进入自由传输区后，发生散射耦合进入阵列波导，中心波长的光信号通过阵列波导后会聚在中心输出波导上，不同波长的光信号经过阵列波导的色散作用，成像在不同的输出波导上，从而实现波长解复用功能。反之，将不同波长的光信号通过不同的输入波导进入阵列波导后，会聚到同一根输出波导中出来，就可以实现器件的波长复用功能。AWG的工作原理基于光栅方程：光在器件中传输时，只有那些光程差等于波长的整数倍的光才能产生衍射而得到加强，即：
式中ns和nc分别为平板波导和阵列波导的有效折射率，θi和θ0分别为输入和输出平板波导内的衍射角（即输入/输出波导与中心输入/输出波导的夹角），d为阵列波导间距，ΔL为相邻阵列波导的长度差（为定值），m为衍射级次，λ为光波波长。
当光从中心输入波导输入并从中心输出波导输出时，θi=θ0=0，此时对应的波长定义为中心波长：
AWG器件中输入/输出波导的角色散为：
式中ng为阵列波导的群折射率。
AWG的自由频谱范围FSR为：
自由频谱范围决定了最大可能的输入/输出通道数Nmax=int（FSR/Δλ）。
根据以上对AWG器件性能的理论分析，AWG器件的设计流程可归纳如下：根据使用要求，确定输入/输出波导通道数N，通道间隔Δλ，选取中心波长λ0；确定衍射级次m和平板波导焦长度R；确定阵列波导间距d，由式（3）确定输入/输出波导间距，由式（2）确定相邻阵列波导的长度差ΔL，最后确定阵列波导数。
三、AWG在光通信领域中的应用
AWG器件的基本功能是波分复用/解复用，除此之外，还可与其他器件如放大器、开关阵列等集成构成WDM系统中的大部分器件，应用于多波长光通信网络中。
1、波长路由器
波长路由器就是由Dragone于1991年首先报道的N×N型复用/解复用器，如图2所示。每个输入波导中N个不同波长的光信号，经过AWG器件解复用后分布到N个不同的输出波导中；而每个输出波导中接收到的N个不同波长的光信号则是N个不同的输入波导中的光波信号经过AWG器件复用后得到的，这就实现了波长理由功能。
图2 波长路由器原理示意图
2、光分插复用器
光分插复用器（OADM）（如图3所示）是WDM系统中的关键器件，位于光纤通信网络中的节点处，其作用是下载（Drop）通道中通往本地的信号，同时上载（Add）本地用户发往另一节点用户的信号，使得用户可以方便地在节点处上载/下载信号，实现不同网络间的互连，大大提高了网络系统的灵活性。
图3 OADM示意图
将AWG和光开关阵列相结合构成的OADM就可以实现波长选择器的功能。通过控制开关阵列的连接状态（交叉或平行），可在输出口提取所需的光波信号，而同一波长所携带的另一光信号可以通过Add口重耦合入输入端。3、多波长激光器
WDM系统使用波长可选择或可调谐激光器作为光源，使用AWG结合光放大器构成的多波长激光器（如图4所示）由AWG通道间隔的高精确性，产生的激光波长稳定性非常好。多波长激光器采用光放大器作为增益媒质、AWG为波长滤波器、两侧镀反射膜以构成激光器的谐振腔。
图4 多波长激光器示意图
四、现阶段AWG的研究热点
经过二十多年的发展，目前AWG器件的制作技术和性能指标都有了很大的提高。尽管AWG器件已经开始商用了，但国内外对AWG的设计研究和工艺改进及其相应的性能改善仍很活跃，主要包括以下几个方面：
1、温度不敏感
目前商用的硅基二氧化硅AWG，由于波导材料本身的折射率和波导长度会随着温度的变化而发生改变，从而导致器件的中心波长也随着温度变化。此类有热AWG器件在使用时需加温控来稳定通道输出，而温度控制器需要供电并有一定量的功耗。在复用器和其它器件的光集成系统中，减少尺寸和热量管理成为了关键问题；另外随着WDM无源光网络（WDM-PONs）的发展，其中并没有可供给复用器的电能；因此需要发展温度不敏感技术，无热AWG器件也得到了广泛的研究。
最常用的方法是在AWG器件的波导中刻蚀一沟槽，并在其中填充具大负热光系数的材料，选择合适的槽形状和尺寸，以补偿二氧化硅玻璃的温度效应。另一补偿方法是在AWG器件衬底背面粘贴较大热膨胀系数的金属材料，利用产生的应力应变改变有效折射率和光程差，以补偿中心波长的温度变化。
2、偏振补偿技术
偏振敏感也是AWG器件中一个很重要的问题。由于波导中横电（TE）、横磁（TM）模的传输常数不同，引起同一波长的TE模和TM模的光在成像面上的像点发生偏移，从而使通道的频谱响应发生漂移，此即所谓偏振敏感性。现今WDM系统网络中大多数传输线是普通单模光纤，无保偏特性，使得在实际光网络中要求复用器件必须对各种偏振光信号保持稳定，即要消除器件对偏振的敏感性。
目前消除偏振相关性的主要方法有：（1）半波片法，在AWG器件阵列波导中间开槽插入一半波片，实现TE模和TM模偏振态的反转，利用器件的对称结构，使得经过半波片之前和之后传输产生的偏振相互消除；（2）镀膜法，在阵列波导的直波导区域加入三角形偏振补偿区，在波导上增加一层α-Si薄膜，利用薄膜存在的残余应力可补偿波导双折射；（3）无双折射波导法，选择适当的波导结构和材料，实现低双折射率以消除偏振敏感。
3、频谱平坦化设计
在DWDM系统中，器件的通道带宽是一个非常重要的性能指标。普通的AWG器件的频谱响应为高斯型的，通道波长的漂移会引起输出功率的急剧下降而容易导致误码，通过平坦化频谱响应使得器件能具有以下优点：允许高速调制；允许发射波长有一些偏移；对受温度变化影响引起的波长偏移不敏感；允许有少许的因偏振引起的波长偏移；允许系统级联多个复用器件而不引起性能的显著下降。
目前常用的一种频谱平坦化方法是在AWG的输入/输出波导处连接抛物型波导等特殊结构，这种方法的原理是在像面上形成具有双峰特征的场分布，此双峰场和输出波导的本征模场进行叠加，从而实现频谱平坦化。另一种方法是利用马赫曾德干涉仪（MZI）和AWG级联，在这种设计中，前一级滤波器的FSR和后一级的通道间隔相等，从而使得带通内的波长在通过前一级滤波器后产生不同的预偏移，成像在后一级滤波器输出波导的中心，因而通带内波长的成像位置几乎相同，即实现了平坦的频谱响应。
五、结束语
随着网络信息流量的迅速增长，用户对带宽的需求也越来越高，这些都促进了FTTH市场的发展。AWG器件具有的高性能及可与其他器件集成以构成多功能模块的优点，在未来的光纤通信网络中将会有着更多、更广泛的应用。
